豎向荷載與水平循環(huán)荷載對(duì)軟土基礎(chǔ)承載力的影響

豎向荷載與水平循環(huán)荷載對(duì)軟土基礎(chǔ)承載力的影響

1循環(huán)強(qiáng)度方法與評(píng)價(jià)真空桶基礎(chǔ)是一種新型的海洋平臺(tái)基礎(chǔ)。由于成本低、移動(dòng)方便，它特別適用于軟海洋基礎(chǔ)。處于復(fù)雜海洋環(huán)境條件下的海洋平臺(tái)基礎(chǔ)要承受來(lái)自風(fēng)浪、冰等循環(huán)荷載的作用,如何評(píng)價(jià)循環(huán)荷載作用下軟土中桶型基礎(chǔ)的承載力,是桶型基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。目前,評(píng)價(jià)循環(huán)荷載作用下地基承載力的方法有:依據(jù)各項(xiàng)異性增量彈塑性理論建立描述軟土循環(huán)特性的彈塑性本構(gòu)關(guān)系,進(jìn)而借助增量彈塑性有限元方法分析地基的循環(huán)承載力;Andersen等提出的二維極限平衡法;王建華等依據(jù)循環(huán)強(qiáng)度變化關(guān)系建立的彈塑性有限元分析方法(以下簡(jiǎn)稱循環(huán)強(qiáng)度方法)。第一種方法的特點(diǎn)是能夠?qū)嵤└櫻h(huán)應(yīng)力路徑,比較直觀地描述地基的循環(huán)破壞過(guò)程。但是,由于波浪引起的循環(huán)荷載次數(shù)成百上千,采用這種方法不但計(jì)算工作量非常巨大,而且經(jīng)常由于計(jì)算誤差的積累導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不收斂。利用二維極限平衡法評(píng)價(jià)桶型基礎(chǔ)的循環(huán)承載力,需要將三維桶型基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換成二維問(wèn)題,這就很難考慮地基土與基礎(chǔ)之間的相互作用。如果用循環(huán)強(qiáng)度方法評(píng)價(jià)桶型基礎(chǔ)的循環(huán)承載力,則可以模擬地基土與桶型基礎(chǔ)的相互作用。這種方法通過(guò)定義土單元的循環(huán)強(qiáng)度,將荷載對(duì)土體的循環(huán)作用等效為土體強(qiáng)度的改變,計(jì)算時(shí)依據(jù)土動(dòng)力試驗(yàn)建立的循環(huán)強(qiáng)度隨循環(huán)平均應(yīng)力的變化關(guān)系,由地基不同土單元的循環(huán)平均應(yīng)力確定相應(yīng)的循環(huán)強(qiáng)度,然后按地基不同土單元具有的不同循環(huán)強(qiáng)度,通過(guò)有限元計(jì)算評(píng)價(jià)靜荷載與循環(huán)荷載共同作用下地基的循環(huán)承載特性。這種方法的特點(diǎn)是可以考慮循環(huán)荷載與工作靜荷載共同作用下地基不同土單元循環(huán)平均應(yīng)力的差異對(duì)其循環(huán)強(qiáng)度、進(jìn)而對(duì)地基循環(huán)承載力的影響。但是,該方法計(jì)算結(jié)果的合理性尚需要必要的模型試驗(yàn)驗(yàn)證。進(jìn)行軟土地基中桶型基礎(chǔ)循環(huán)承載力模型試驗(yàn)的主要困難在于軟土層的制備周期長(zhǎng),而且由于一次制備的模型地基需要多次使用,為盡量使每次試驗(yàn)條件一致,相鄰兩次試驗(yàn)的間隔較長(zhǎng),因此導(dǎo)致試驗(yàn)周期長(zhǎng)。另外,試驗(yàn)必須具備專(zhuān)用的超低頻循環(huán)加載裝置等,而且很難保證每一次模型試驗(yàn)具有完全一致的土性條件。因此,迄今關(guān)于軟土地基桶型基礎(chǔ)循環(huán)承載力的模型試驗(yàn)尚無(wú)報(bào)道。鑒于以上分析,本文利用真空預(yù)壓方法制備了一個(gè)較大尺寸、用于模型試驗(yàn)的軟黏土地基,采用電氣伺服超低頻循環(huán)加載裝置,進(jìn)行了軟土地基中單桶基礎(chǔ)在豎向靜荷載與水平循環(huán)荷載共同作用下的承載力模型試驗(yàn)。進(jìn)而,又利用循環(huán)強(qiáng)度方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值模擬,并與試驗(yàn)結(jié)果做了對(duì)比分析。本文目的是為評(píng)價(jià)軟土地基中桶型基礎(chǔ)循環(huán)承載力的循環(huán)強(qiáng)度方法的合理性提供試驗(yàn)驗(yàn)證,也為軟土地基桶型基礎(chǔ)循環(huán)承載力模型試驗(yàn)提供可供參考的成果。2模型試驗(yàn)2.1土池膜袋預(yù)壓后土層的物理力學(xué)性質(zhì)模型試驗(yàn)土池長(zhǎng)、寬各1.8m,高2.1m。土池四周采用鋼質(zhì)建筑模板作為支撐結(jié)構(gòu),內(nèi)部放置一個(gè)可以密封的橡膠布膜袋。在膜袋底部鋪設(shè)0.26m厚的粗砂反濾層,在反濾層中間埋設(shè)與外部真空排水系統(tǒng)相接的排水管網(wǎng)共同組成真空預(yù)壓室。采用天津塘沽灘海地區(qū)的淤泥質(zhì)黏土制備軟土層。制備時(shí),先將淤泥質(zhì)黏土配制成含水率為80%~86%的泥漿,然后分層放入土池的膜袋內(nèi),直至土池中泥漿深度接近1.8m。為加速預(yù)壓固結(jié)速度并盡量保證制備土層的均勻性,在泥漿的上下表面以及四周鋪設(shè)了5mm厚無(wú)紡?fù)凉げ甲鳛榕潘窂?。圖1是土池膜袋放滿泥漿且封口后的情況。采用真空泵作為真空源。抽真空后發(fā)現(xiàn)橡膠膜袋底部密封接口處存在部分泄露,故土層在真空預(yù)壓荷載作用下排水60d,抽真空期間膜袋上部的真空預(yù)壓荷載基本維持在50kPa左右。將真空預(yù)壓后的土層靜置20d,然后開(kāi)啟膜袋上面密封層,測(cè)量預(yù)壓后土層的基本物理力學(xué)指標(biāo)。預(yù)壓后土層厚1.50m。通過(guò)取樣測(cè)定土層沿深度的含水率以及三軸不固結(jié)不排水強(qiáng)度,表1給出了預(yù)壓后土層的基本物理力學(xué)指標(biāo)。該模型試驗(yàn)土池共使用泥漿5.8m3(約重9.3T),制備后的軟黏土層4.7m3(約重8.2T)。使用鋼制模型桶,尺寸為直徑0.27m,壁厚0.008m,高0.4m,高徑比1.5。桶頂部除預(yù)留一個(gè)直徑為0.012m與真空貫入設(shè)備相連的抽氣孔外,其余整體密封。在桶頂圓心處焊接一豎向滑道,用以連接水平循環(huán)加載裝置,并保證試驗(yàn)過(guò)程中在水平循環(huán)荷載作用下模型桶可以沿豎向自由沉降而不至于發(fā)生機(jī)構(gòu)卡鎖。同時(shí),滑道頂端連接有一0.4m×0.4m的平臺(tái)用以給基礎(chǔ)施加豎向荷載。2.2模型試驗(yàn)加載裝置與傳感器布置使用電氣伺服超低頻循環(huán)加載裝置,在載荷控制條件下給基礎(chǔ)施加0.1Hz的水平向正弦循環(huán)荷載。試驗(yàn)時(shí),力傳感器前端的鋼制小球與模型桶上的豎向滑道相連,以完成對(duì)桶施加水平循環(huán)荷載的同時(shí),允許桶產(chǎn)生豎向自由沉降。模型試驗(yàn)加載點(diǎn)的位置處于桶頂上方0.24m處。圖2是模型試驗(yàn)加載裝置與傳感器布置示意圖。在距桶頂上方0.255m與0.345m處的滑道側(cè)壁安置了兩個(gè)LVDT位移傳感器,用以采集桶基礎(chǔ)在水平循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生的水平位移,并借此確定基礎(chǔ)頂面的水平位移。在模型頂部加載平臺(tái)上通過(guò)重物施加試驗(yàn)所需的豎向荷載。在桶頂部安放一個(gè)百分表,監(jiān)測(cè)模型桶在水平循環(huán)荷載作用下的豎向沉降。2.3模型試驗(yàn)方法已有計(jì)算結(jié)果表明,桶型基礎(chǔ)水平循環(huán)承載力的大小取決于循環(huán)荷載作用前所受到的豎向靜荷載的大小。為此選擇不同的豎向荷載分別進(jìn)行水平循環(huán)承載力模型試驗(yàn),具體過(guò)程如下:(1)利用負(fù)壓沉貫方法將桶沉入軟土地基中,為恢復(fù)沉貫過(guò)程對(duì)地基土體擾動(dòng)帶來(lái)的影響,基礎(chǔ)沉入地基后靜置3d。(2)為進(jìn)行循環(huán)承載力試驗(yàn),首先采用單調(diào)分級(jí)加荷試驗(yàn)方法確定基礎(chǔ)的豎直與水平靜承載力Vj與Hj。(3)施加循環(huán)荷載前,參考基礎(chǔ)的豎直靜承載力,給基礎(chǔ)施加一定的豎向靜荷載V。(4)當(dāng)豎向靜荷載作用下的豎向位移穩(wěn)定后,參考基礎(chǔ)的水平靜承載力,給基礎(chǔ)施加水平循環(huán)荷載Hd,直到桶頂?shù)乃窖h(huán)位移達(dá)到規(guī)定的破壞標(biāo)準(zhǔn)為止。試驗(yàn)過(guò)程中,利用計(jì)算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)記錄水平循環(huán)荷載與循環(huán)位移。(5)每次試驗(yàn)后,利用正壓將桶拔出土層,然后對(duì)試驗(yàn)處的土層進(jìn)行平整并靜置恢復(fù)4d后再進(jìn)行下一次試驗(yàn)沉桶。兩次試驗(yàn)間隔時(shí)間為7~10d。表2給出了模型試驗(yàn)具體安排及試驗(yàn)結(jié)果。表中:Vj為豎直承載力,V為豎向靜荷載,Hj為水平承載力,Hd為水平循環(huán)荷載幅,Nf為循環(huán)破壞次數(shù)。3試驗(yàn)結(jié)果的分析3.1基礎(chǔ)頂面豎直及水平荷載位移圖3給出了分別由豎直靜承載力模型試驗(yàn)與水平靜承載力模型試驗(yàn)得到的桶型基礎(chǔ)頂面豎直以及水平荷載位移曲線。按照豎直位移達(dá)到桶徑的5%確定基礎(chǔ)的豎直靜承載力Vj。按照水平位移達(dá)到桶徑的3%確定基礎(chǔ)的水平靜承載力Hj。結(jié)果為:jV=1176N,jH=539N。3.2基礎(chǔ)破壞形式圖4給出了基礎(chǔ)頂面水平循環(huán)位移dhc典型時(shí)程變化曲線。圖5為水平循環(huán)荷載在一個(gè)方向達(dá)到峰值且基礎(chǔ)水平位移達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的典型情況。圖6是不同試驗(yàn)得到的豎向沉降dv隨水平循環(huán)荷載次數(shù)N的變化曲線。這些結(jié)果以及對(duì)不同豎向靜荷載與水平循環(huán)荷載共同作用下的試驗(yàn)過(guò)程觀察表明,軟土地基中的桶型基礎(chǔ)在豎向靜荷載與對(duì)稱水平循環(huán)荷載共同作用下,基礎(chǔ)的破壞形式主要以繞基礎(chǔ)頂面以下某一中心的轉(zhuǎn)動(dòng)為主,水平循環(huán)變形隨循環(huán)次數(shù)逐漸增大,同時(shí)基礎(chǔ)伴隨有豎向沉降,沉降大小取決于豎向荷載大小與水平荷載的循環(huán)次數(shù),豎向靜荷載越大,水平循環(huán)荷載作用次數(shù)越多,豎向沉降也就越大。在本次試驗(yàn)中,與基礎(chǔ)水平循環(huán)變形相比,豎向沉降較小。這表明,對(duì)于這里選定的試驗(yàn)條件,水平循環(huán)荷載作用下,單桶基礎(chǔ)在水平方向先達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)。值得注意的是,在水平循環(huán)荷載作用下,隨循環(huán)次數(shù)增加,沿循環(huán)荷載方向的桶基礎(chǔ)前后土體向背離桶的方向逐漸隆起,土體與桶壁逐漸分離。當(dāng)桶頂水平循環(huán)位移超過(guò)桶直徑的1%時(shí),桶壁與土體之間的分離逐漸明顯并能觀察到間隙。隨循環(huán)變形不斷增加,基礎(chǔ)前后土體的累積變形也不斷增大,最終導(dǎo)致基礎(chǔ)產(chǎn)生過(guò)量的水平循環(huán)變形而破壞。這里的試驗(yàn)觀察表明,當(dāng)桶頂部水平循環(huán)位移達(dá)到桶徑3%時(shí),桶與土體之間間隙已經(jīng)十分明顯。3.3土塞土體單元的循環(huán)平均剪應(yīng)力比m豎向靜荷載與水平循環(huán)荷載共同作用下,桶型基礎(chǔ)周?chē)馏w所經(jīng)歷的循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)是相當(dāng)復(fù)雜的。這里依據(jù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的觀察,對(duì)位于桶基礎(chǔ)周?chē)煌课坏耐馏w所經(jīng)歷的循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)做一簡(jiǎn)要分析,以便對(duì)水平循環(huán)荷載作用下桶型基礎(chǔ)的破壞機(jī)理有所理解。對(duì)于桶徑范圍內(nèi)的土體(包括土塞),水平循環(huán)荷載作用下,土體單元感受兩個(gè)方向的水平循環(huán)荷載作用基本是相同的,此時(shí)土體單元的八面體循環(huán)平均剪應(yīng)力就等于豎向靜荷載引起的八面體剪應(yīng)力。這部分土體在對(duì)稱循環(huán)荷載作用后會(huì)明顯弱化。每次試驗(yàn)后,將桶拔出地基,觀察桶內(nèi)土塞情況,發(fā)現(xiàn)這部分土體比其它部分土體明顯變軟,這點(diǎn)與軟黏土動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果是吻合的。對(duì)于桶徑以外的土體,特別是沿循環(huán)荷載方向與桶接觸的土體,當(dāng)桶受到一個(gè)方向的水平荷載作用時(shí),此時(shí)位于基礎(chǔ)被動(dòng)側(cè)的土體感受由于這一荷載引起的應(yīng)力要大于主動(dòng)側(cè)土體感受這一荷載而引起的應(yīng)力。因此,在水平對(duì)稱循環(huán)荷載作用下,桶徑以外的土體單元,其八面體循環(huán)平均剪應(yīng)力要大于靜荷載引起的八面體剪應(yīng)力。試驗(yàn)結(jié)果顯示的沿水平加載方向兩邊土體隨循環(huán)次數(shù)增加逐漸隆起的現(xiàn)象表明,土體循環(huán)累積變形逐漸增加是導(dǎo)致兩邊土體逐漸隆起的根本原因,這點(diǎn)與軟黏土動(dòng)力特性試驗(yàn)結(jié)果也是吻合的。3.4荷載循環(huán)次數(shù)對(duì)分散性的影響圖7為由試驗(yàn)得到典型的桶頂水平循環(huán)荷載位移曲線,這些結(jié)果表明,對(duì)稱水平循環(huán)荷載作用下,桶土之間相互作用的剛度逐漸降低,水平方向變形逐漸增加,桶土之間相互作用的系統(tǒng)阻尼也逐漸增大。圖8給出了4種工況下桶頂水平循環(huán)位移幅值dtop隨荷載循環(huán)次數(shù)N的變化曲線。這些結(jié)果表明,在試驗(yàn)開(kāi)始階段,桶頂水平循環(huán)位移較小,隨循環(huán)次數(shù)增加,沿水平荷載方向桶周?chē)馏w的累積變形逐漸增加,從而導(dǎo)致桶土相互作用的剛度逐漸降低并最終達(dá)到過(guò)量的水平位移使桶型基礎(chǔ)破壞。依據(jù)圖8給出的試驗(yàn)結(jié)果,按水平循環(huán)位移幅值達(dá)到桶直徑的3%確定循環(huán)破壞次數(shù),進(jìn)而確定與一定豎向靜荷載、一定循環(huán)破壞次數(shù)對(duì)應(yīng)的水平循環(huán)承載力,表2中給出了相應(yīng)結(jié)果。這些結(jié)果表明,水平循環(huán)荷載作用下的承載力小于水平靜荷載作用下的承載力?；A(chǔ)達(dá)到破壞時(shí)的循環(huán)荷載大小與循環(huán)次數(shù)既取決于豎向靜荷載,也取決于水平循環(huán)荷載。一定豎向靜荷載作用下,循環(huán)荷載越大,循環(huán)破壞次數(shù)也就越少。另一方面,豎向靜荷載越大,與同一循環(huán)破壞次數(shù)對(duì)應(yīng)的循環(huán)荷載就越小。4基于試驗(yàn)條件的桶型基礎(chǔ)循環(huán)承載力分析為了說(shuō)明依據(jù)循環(huán)強(qiáng)度變化關(guān)系、通過(guò)彈塑性有限元計(jì)算評(píng)價(jià)靜荷載與循環(huán)荷載共同作用下桶型基礎(chǔ)承載力方法的可行性,以下將按照試驗(yàn)條件計(jì)算桶型基礎(chǔ)的循環(huán)承載力。4.1不排水條件下軟黏土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系按照循環(huán)三軸試驗(yàn)土樣的應(yīng)力條件,定義土單元的循環(huán)強(qiáng)度為式中:σj為循環(huán)應(yīng)力作用前,土樣受到的軸向靜偏應(yīng)力,在對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力作用下,它的含義是土樣受到的軸向循環(huán)平均應(yīng)力;σd為與一定循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)、且使土樣達(dá)到循環(huán)破壞應(yīng)變時(shí)的循環(huán)應(yīng)力幅值。研究結(jié)果表明,循環(huán)強(qiáng)度的大小既取決于循環(huán)破壞次數(shù)Nf的多少,也取決于循環(huán)平均應(yīng)力σj的大小。參照文獻(xiàn)的試驗(yàn)方法,通過(guò)不排水循環(huán)三軸試驗(yàn)確定模型試驗(yàn)土層、在不同循環(huán)破壞次數(shù)下的循環(huán)強(qiáng)度σdf隨循環(huán)平均應(yīng)力σj的變化關(guān)系,結(jié)果見(jiàn)圖9。已有的研究結(jié)果還表明,不排水條件下飽和軟黏土的循環(huán)破壞遵循Mises準(zhǔn)則,于是可以借助八面體剪應(yīng)力,通過(guò)計(jì)算靜荷載與循環(huán)荷載共同作用下地基土單元的等效循環(huán)平均應(yīng)力,由式(1)確定相應(yīng)的循環(huán)強(qiáng)度,進(jìn)而將循環(huán)荷載對(duì)地基土的循環(huán)作用視為土單元靜強(qiáng)度的變化,再依據(jù)地基土的循環(huán)強(qiáng)度計(jì)算靜荷載與循環(huán)荷載幅值共同作用下桶型基礎(chǔ)的水平荷載-位移關(guān)系曲線,將按照一定位移破壞標(biāo)準(zhǔn)確定的承載力視為與一定循環(huán)破壞振次對(duì)應(yīng)的循環(huán)承載力。這里用理想彈塑性模型描述不排水條件下軟黏土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,具體計(jì)算步驟如下:(1)按照模型試驗(yàn)的具體尺寸與邊界條件,建立有限元計(jì)算模型,見(jiàn)圖10。采用庫(kù)倫摩擦接觸單元模擬土與桶型基礎(chǔ)邊壁之間的相互作用。(2)計(jì)算豎向靜荷載作用下地基土單元的八面體剪應(yīng)力(τ8)j。(3)計(jì)算豎向靜荷載與水平循環(huán)荷載共同作用下地基土單元的循環(huán)平均八面體剪應(yīng)力參考試驗(yàn)時(shí)給基礎(chǔ)施加的水平循環(huán)荷載,假設(shè)一水平對(duì)稱循環(huán)荷載,首先計(jì)算水平荷載在一個(gè)方向達(dá)到循環(huán)荷載幅值時(shí)地基土單元的八面體剪應(yīng)力(τ8)A;然后再計(jì)算水平荷載在相反方向達(dá)到循環(huán)荷載幅值時(shí)地基土單元的八面體剪應(yīng)力(τ8)B,見(jiàn)圖11。按照式(2)計(jì)算每個(gè)地基土單元的循環(huán)平均八面體剪應(yīng)力:(4)計(jì)算與循環(huán)三軸試驗(yàn)等效的循環(huán)平均應(yīng)力σj:(5)由圖9按式(3)確定每個(gè)地基土單元的循環(huán)強(qiáng)度。(6)依據(jù)循環(huán)強(qiáng)度,計(jì)算豎向靜荷載與水平循環(huán)荷載共同作用下桶型基礎(chǔ)的水平荷載位移曲線。(7)按桶頂水平位移達(dá)到桶徑3%的標(biāo)準(zhǔn)確定承載力,與預(yù)先假設(shè)的水平循環(huán)荷載進(jìn)行比較,如果兩者之間的相對(duì)誤差大于允許誤差,重復(fù)(3)到(6)的計(jì)算步驟,直到兩者相對(duì)誤差小于允許誤差為止。4.2基于彈塑性有限元分析的著力土體承載力評(píng)價(jià)按照模型試驗(yàn)尺寸,利用三維8結(jié)點(diǎn)等參元建立有限元計(jì)算模型,土體計(jì)算范圍按模型土池尺寸選取,水平和豎直方向均取1.8m。考慮到荷載和幾何尺寸的對(duì)稱性,采用半部結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型兩側(cè)土體邊界為水平約束,底部邊界為豎直約束。桶壁與土體間的接觸用庫(kù)侖摩擦單元模擬,其間的摩擦系數(shù)取0.2。在利用有限元方法、依據(jù)彈塑性本構(gòu)模型計(jì)算軟土地基基礎(chǔ)承載力時(shí),如何合理選擇計(jì)算參數(shù)目前尚無(wú)定論。為此,這里以水平靜承載力模型試驗(yàn)得到的水平荷載位移曲線為基準(zhǔn),利用反分析方法使計(jì)算出的水平荷載位移曲線與水平靜承載力模型試驗(yàn)結(jié)果盡量吻合,據(jù)此確定計(jì)算桶型基礎(chǔ)水平循環(huán)承載力時(shí)取用的有限元計(jì)算參數(shù)。反分析結(jié)果表明,將土的彈性模量取其不排水強(qiáng)度的400倍左右,且泊松比取0.46,可以得到與水平靜承載力模型試驗(yàn)基本吻合的結(jié)果。進(jìn)一步,依據(jù)這組經(jīng)過(guò)“標(biāo)定”的參數(shù)計(jì)算豎向靜荷載與水平循環(huán)荷載共同作用下的桶型基礎(chǔ)承載力。圖12給出了計(jì)算得到的4種工況桶頂水平荷載位移曲線,據(jù)此按桶頂水平位移達(dá)到桶徑3%的標(biāo)準(zhǔn)確定水平循環(huán)承載力,結(jié)果見(jiàn)表3。這些結(jié)果表明,與試驗(yàn)結(jié)果相比,計(jì)算結(jié)果偏大,但相差不超過(guò)10%